多孔介质中NAPLs流体毛细管指进形态及分形表征

非水相流体(non-aqueous phase liquids,NAPLs)如石油烃类和有机溶剂类污染土壤和地下水引起了广泛关注.不同粒径多孔介质中不同性质流体入渗形态的识别是确定污染范围、有效修复土壤和地下水的前提.本研究选取不同性质的4种NAPLs流体,建立可视化砂箱模型,比较4种流体在不同粒径石英砂中指流形态差异,并引入分形理论对迁移形态进行定量描述.结果表明,NAPLs流体指进过程属于毛细管指进,主要驱动力为毛细力;同种污染物或同一黏度数量级污染物之间指流宽度和渗流面积变化趋势与毛细管数和邦德数变化趋势呈负相关;指流宽度和渗流面积随着介质粒径的减小和流体黏度的增大而增加;指流宽度和渗流面积与渗流面的质量分形维数呈正相关,质量分形维数可以作为指流宽度和渗流面积的指示指标.     

NAPLs污染物指进锋面形态的指间距离预测

选取4种不同性质的NAPLs(非水相流体)污染物,分别应用分形维数方法和毛细压力函数方法对NAPLs迁移过程中有效界面张力和指进过程中指间距离的大小进行预测,同时建立二维可视化砂箱模型,模拟污染物在多孔介质中的非稳态指进迁移过程,获得指进迁移形态影像75幅. 结果表明,与试验观测值比较,对于相同迁移过程中的指间距离,毛细压力函数方法预测误差绝对值介于1%~93%,分形维数方法预测误差绝对值介于2%~25%,分形维数方法的预测误差小于毛细压力函数方法. 毛细压力函数方法对指间距离的预测随着NAPLs密度的增加而增大,对DNAPLs(重非水相流体)的预测误差明显增加,更适用于预测密度与水的密度相差不大的物质;分形维数方法的预测值与观测值呈显著线性相关(R2=0.957),相比于传统毛细压力函数方法,分形维数方法对指间距离的预测更准确,更适合用来预测不同密度NAPLs污染物的指进距离参数.      

低渗透介质中轻非水相流体迁移转化规律

本文利用COMSOL软件建立轻非水相流体（LNAPL）纵向迁移转化模型,采用有限单元法进行求解,预测污染物分布规律,并利用局部分析法进行参数敏感性分析.结果表明,大部分LNAPL会在水面以上聚集形成高的质量分布峰值区域,少部分克服毛细压力向下迁移,在自由相迁移范围内,其溶解相浓度达到或接近饱和溶解度;当顶部污染源消失后,降水会使最大饱和度和浓度出现的深度逐渐下移;多孔介质中的低渗透镜体会使污染物垂向入渗受阻,在其表面聚积形成污染池;渗透系数是控制LNAPL纵向迁移速度及饱和度分布的关键参数.     

LNAPLs污染物在层状非均质多孔介质中的运移试验研究

文章通过室内试验研究层状非均质多孔介质中轻非水相液体(Light Non-Aqueous Phase Liquid,LNAPL)的运移机制与分布特性。首先,在二维砂槽上进行LNAPL的入渗试验,试验过程中用数码相机进行拍照,把LANPL的扩散过程以图像的形式记录下来;然后,用AutoCAD对图片进行分析处理,得出不同时刻LNAPL的入渗锋面变化图。结果发现,介质结构突变面改变了LNAPL的迁移模式。在LNAPL由中砂进入细砂层后,由于受到毛细作用的增强,其运移速度加快;而由中砂进入粗砂,受粗砂介质阻滞作用增强的影响,LNAPL运移速度变小。当LNAPL由干砂进入湿润砂体时,由于孔隙水浮托力增大,LNAPL先产生纵向运移,随后以横向迁移的形式在地下水位上部聚积。当达到一定厚度后,LNAPL的压头足以克服浮托力,驱替孔隙水进入砂土孔隙。另外,LNAPL的厚度足够大时,方可克服饱水层受到的浮托力,在地下水位上形成LNAPL池,并因孔隙水向周围砂体排泄,LNAPL池周围的水位上升。     

基于孔隙网络模型的表面活性剂去除LNAPLs作用力分析

通过多孔介质网络模型试验,并采用可视化技术研究了可溶相液体注入条件下轻质非水相污染物(Light non-aqueous phase liquids,LNAPLs)去除过程中多孔介质孔隙内毛细力和粘滞力的作用机理.实验和理论分析发现,可溶相液体去除孔隙内正十六烷在第一阶段(0～17823s)去除率为40%～50%,第二阶段(17823s之后)去除率为80%～95%,即正十六烷残余饱和度5%～20%;Triton X-100溶液可以大大降低多孔介质孔隙中LNAPLs的残余饱和度,最终正十六烷残留量为4.4%,是蒸馏水注入过程中正十六烷残留量的22.3%.蒸馏水注入过程中的毛细力比1100mg·L-1Triton X-100溶液驱替NAPLs的毛细力大1个数量级,使得该毛细数位于毛细指进区(logNCa∈10-4),多孔介质内所有滞留的NAPLs保持静止.多孔介质内NAPLs主要被驱替去除;毛细数小的蒸馏水注入条件下,更多的NAPLs滞留在孔隙内;注人液在孔隙内流动溶解了部分NAPLs,导致NAPLs残余饱和度小于孔隙内由于毛细作用滞留的NAPLs初始饱和度.     

典型抗生素在多孔介质中迁移特性的对比研究

为系统探究抗生素在饱和多孔介质中的迁移行为,选取两类典型抗生素—磺胺类(Sulfonamides, SAs)和氟喹诺酮类抗生素(Fluoroquinolones, FQs),通过室内砂柱迁移实验,重点对比研究了水化学条件及介质粒径对两类抗生素迁移的影响.结果表明,不同种类抗生素在饱和石英砂多孔介质中的迁移特性不同.在实验pH(5.6～9.5)条件下,低解离常数使得SAs多以带负电形态出现,因静电斥力导致SAs在石英砂介质中具有强迁移能力,流出液中SAs回收率>97%;pH、离子强度(NaCl、CaCl₂)及介质粒径对抗生素的迁移无显著影响.FQs多呈阳离子形态及两性形态,受静电引力控制,FQs迁移能力相对较弱,但移动性随溶液pH升高而增大,NaCl和介质粒径对FQs迁移影响不显著,竞争吸附导致高浓度CaCl₂促进FQs迁移能力.本研究结果阐明了SAs和FQs在多孔介质中不同水化学条件(pH、NaCl及CaCl₂离子强度)下及不同介质粒径中的迁移过程,可为抗生素环境风险的预测和评估及污染修复提供指导.     

轻质非水相流体污染场地的双相抽提修复

某化工生产场地受到了苯系物的污染,并在现场浅层地下水上方形成了由甲苯构成的轻质非水相流体层.采用原位单泵双相抽提技术对该场地进行了修复的中试研究.结果表明,双相抽提技术能通过真空作用同时去除场地中的自由相污染物、受污染的地下水以及受污染的土壤气体,可有效适用于中～低渗透性场地LNAPL污染的原位修复;直接回收自由相污染物是双相抽提工艺修复场地LNAPL污染的主要途径.     

微生物在多孔介质中环境行为研究

多孔介质中的致病细菌及病毒等病原微生物迁移研究对保护饮用水资源具有重要意义.在归纳总结国内外已有研究资料的基础上,对微生物在多孔介质中迁移行为进行了分析.研究表明病原微生物作为生物胶体的一种,在迁移过程中受多种迁移机制共同作用.除常见水动力条件和水化学条件外,微生物在迁移过程中还受自身性质,介质颗粒及环境因素的影响.在此基础上,分别讨论了微生物在饱和多孔介质与非饱和多孔介质中的迁移行为,并对近年来研究热点及进展进行了简要概括.目前微生物在地下水中迁移研究日益丰富,但由于地下环境复杂性,微生物的易变异性,对于地下水系统中微生物造成的污染去除修复还需进一步探讨.     

纳米乳化油缓解多孔介质渗透性损失的实验研究

为有效缓解乳化油在原位修复地下水污染过程中所产生的堵塞及修复效率降低的问题,采用升温相转变技术手段,制备纳米乳化油.并采用一维柱实验,开展微米及纳米乳化油在多孔介质中的迁移研究,对比分析微米及纳米乳化油造成多孔介质的渗透性损失、在多孔介质中的截留比率及迁移距离等问题,探究纳米乳化油缓解多孔介质渗透性损失的效果.实验结果显示,微米及纳米乳化油所导致的中砂介质渗透性损失分别为20.40%和3.20%,乳化油截留比率分别为28.51%和20.15%.由此可见,乳化油截留是多孔介质渗透性损失的重要原因,减小乳化油粒径可有效缓解多孔介质的渗透性损失.与微米乳化油相比,纳米乳化油有效降低中、细砂介质渗透性损失84.3%和47.5%.此外,乳化油截留对多孔介质渗透性损失的影响在一定程度上也影响到其在多孔介质中的迁移距离,微米及纳米乳化油在中砂介质中的迁移距离分别为6.53 m和8.19 m.相比之下,纳米乳化油所导致的细砂介质渗透性损失为10.70%,截留比率为25.71%,迁移距离为7.36 m,说明纳米乳化油迁移效果更佳,可适用介质范围更广.     

饱和砂土中粗砂透镜体对DNAPL迁移过程的影响研究

该研究在饱和二维砂箱中开展重非水相液体(DNAPL)污染物入渗试验,目的是探讨粗砂透镜体对污染物迁移过程的影响。试验过程中使用数码相机拍摄污染物的入渗过程,根据照片绘制出污染物入渗锋面图。试验结果表明：（1）受到局部介质非均质性的影响,DNAPL呈现“指状”入渗现象,污染物入渗过程受到粒径尺寸影响,在粗砂透镜体中存在加快DNAPL入渗的“优势通道”;（2）污染物的入渗速度范围在0.05～0.46 cm/min之间,对比砂箱中DNAPL垂向入渗速度和横向扩散速度可知,其垂向入渗与横向扩散相互影响,垂向入渗受到阻碍后,横向扩散速度相应增大。（3）粗砂透镜体顶部高渗透性的“中砂-粗砂”界面,加快了污染物入渗速度,底部低渗透性的“粗砂-中砂”界面,阻碍了污染物的垂向入渗,两侧“粗砂-中砂”界面阻碍了污染物横向扩散。试验结果提供了直观基础的图像数据,有助于理解饱和粗砂透镜体非均质条件下DNAPL迁移过程。     

甲苯在北京褐潮土中的运移分布及其STOMP模拟研究

针对我国日益严峻的土壤突发泄漏事故等环境问题,采用二维土槽装置模拟非水相液体(甲苯)发生瞬时泄漏后,其在北京褐潮土中的运移及分布规律,并采用STOMP模型对其进行了模拟.结果表明,泄漏9 h后,含量>1 g.kg-1和>20 g.kg-1的甲苯污染羽横向与垂向距离比分别约为2.3和3.这是由于北京褐潮土的渗透性能较差(渗透系数为0.12 cm.h-1),因此对甲苯的入渗过程有较强的阻滞作用,导致甲苯运移方式主要以水平扩散为主,垂向迁移能力较小.采用STOMP模型对非均质性土层结构(北京褐潮土-砂土和砂土-北京褐潮土2种结构)中的甲苯运移模拟结果表明,由于砂土渗透系数(29.70cm.h-1)远大于北京褐潮土,因此土层分界面的相对渗透率突变是影响甲苯重新分布的主要因素之一.本研究可为非水相液体污染物发生突发泄漏后,及时获取其在土壤中的分布情况提供理论支持.     

人工注气及生物产气对孔隙介质中DNAPL运移影响

重非水相液体(DNAPLs)的污染和治理问题是国内外研究热点,由地下水曝气技术注入的人工气体或生物作用等产生的气体必然对DNAPL在地下水系统中的运移及修复产生影响.采用CCD实时监测系统,以TCE为目标污染物,通过3个二维砂箱试验,以饱水条件下DNAPL的运移为对照,研究了人工注气及生物产气对DNAPL在孔隙介质中运移的影响.结果表明:(1)基于CCD相机的透射光监测系统是一种研究二维孔隙介质中多相流迁移规律的有效非侵入式监测方法,应用于实时监测水/NAPL,水/气,水/NAPL/气多相系统中流体渗流过程.(2)人工注气和生物产气两种条件下,气体在多孔介质中的分布特征有差异,前一条件下气体连续分布,后一条件下则以非连续分布的气泡为主.(3)在水/气两相系统中,气体的存在使得DNAPL污染羽的整体形状更加不规则;同时缩短了TCE污染羽前缘整体平均垂向下迁距离;也导致迁移路径上孔隙中TCE的截留量变小.DNAPL的入渗过程受重力影响以垂向渗流为主,垂向渗流时易于驱替孔隙中的水分,然而水平渗流时优先驱替孔隙中的空气.     

表面活性剂去除土壤和地下水中LNAPLs作用机制研究

去除多孔介质中滞留的LNAPLs,表面活性剂对LNAPLs的增溶和降低界面张力是关键.在实验测得不同浓度Triton X-100溶液对正十六烷的增溶以及它们之间界面张力的基础上,通过平衡清洗实验和砂柱冲洗实验分析了不同形态正十六烷的产生规律和机制.结果表明,正十六烷溶解能力与Triton X-100浓度成正比,当Triton X-100浓度大于临界胶束浓度CMC时,计算得摩尔增溶比MSR=1.680 4,胶束相/水相分配系数对数值lgK_mc=1.715 8;正十六烷-Triton X-100溶液之间界面张力与Triton X-100浓度成反比,其变化规律符合高斯模型（R₂=0.996 4）;溶解态正十六烷和自由态正十六烷与增溶和降低界面张力分别有较好的对应关系,表明增溶和降低界面张力都对多孔介质中正十六烷去除有影响,其中降低界面张力可以有效增加多孔介质中正十六烷的流动性,在正十六烷去除过程中起主要作用.     

甲苯在毛细带中的垂向迁移过程及其环境要素响应

为探究甲苯在非均质毛细带中的迁移规律及环境要素响应,采用一维土柱淋滤分层监测实验,模拟瞬时释放情境下甲苯从包气带进入毛细带到达含水层的迁移过程,同步监测pH值、DO、ORP等环境要素随甲苯迁移的变化规律,利用Pearson方法识别各环境要素与甲苯迁移的相关性.结果表明:甲苯在毛细带中迁移可分为4个阶段,即以重力作用为主...     

非饱和带柴油入渗实验研究及HSSM模拟

通过土柱模拟实验研究了柴油在不同含水率、不同粒径砂土中的入渗及残留特征,并采用HSSM(Hydrocarbon Spill Screening Model)模拟了柴油在含水率为6%中砂介质中的入渗过程.结果表明:随着介质含水率增加,柴油在介质中湿润锋推进速度先增大后减小,最快速度对应含水率处于相应介质最大残余含水率40%~50%范围内,残余柴油量随介质含水率增大而减小.在细砂、中砂和粗砂3种介质,柴油入渗平均湿润锋推进速度分别为0.42,0.52,0.73cm/min;平均残余柴油量分别为98.10,68.70,48.79mL. 湿润锋推进速度及残余柴油量均与介质粒径呈负相关.HSSM拟合柴油在含水率为6%中砂介质中的湿润锋推进速度为0.5832cm/min,与实验值0.5689cm/min相比,相对误差为2.51%.HSSM能较好的模拟柴油在非饱和带入渗过程,对于土壤及地下水污染预报具有重要意义.     

十二烷基苯磺酸钠强化抽出处理对地下水中1，2-二氯乙烷的去除效果

对于地下水中的1,2-DCA(1,2-dichloroethane,1,2-二氯乙烷),表面活性剂强化抽出处理是一种十分有效的修复技术.为明确表面活性剂浓度、介质粒径及抽出速率等因素对1,2-DCA修复效果的影响,选取石英砂作为多孔介质,1,2-DCA作为DNAPLs(dense nonaqueous phase liquids,重质非水相液体)代表,SDBS(sodium dodecylbenzenesulfonate,十二烷基苯磺酸钠)作为表面活性剂代表,在二维可视化砂箱中采用染色示踪结合图像分析技术对汇于凹陷弱透水层上的1,2-DCA开展SDBS强化抽出处理试验.结果表明:SDBS对1,2-DCA具有显著增溶作用.4组纯水试验的抽出液中ρ(1,2-DCA)最大值为219.15 mg/L,加入1倍CMC和3倍CMC(CMC为临界胶束浓度)的SDBS后,ρ(1,2-DCA)最大值分别升至650.95和800.44 mg/L.1,2-DCA去除总量随ρ(SDBS)的升高而增加,其中加入3倍CMC的SDBS条件下1,2-DCA的去除总量是纯水试验条件下的1.44～2.06倍.细粒径中的毛细力比粗粒径中更大,并且1,2-DCA的最大污染面积是粗粒径条件下的2.18～3.14倍,1,2-DCA与SDBS溶液接触面积的增大有利于提高SDBS对1,2-DCA的去除效果.同时增加抽出-回注流量可以扩大1,2-DCA与SDBS溶液的接触面积,提高1,2-DCA向溶液中的传质效率,进而提高1,2-DCA的去除效果.研究显示,SDBS强化抽出处理技术能够显著提高地下水中1,2-DCA的去除总量和去除效率.